高麗

摘 要：綜合布線(xiàn)課程是學(xué)校樓宇專(zhuān)業(yè)比較重要的基礎(chǔ)專(zhuān)業(yè)課程，但現(xiàn)實(shí)教學(xué)中存在著實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地受限、實(shí)訓(xùn)設(shè)備有限、授課時(shí)間不夠、實(shí)訓(xùn)經(jīng)費(fèi)不足、學(xué)生操作時(shí)有潛在的危險(xiǎn)等問(wèn)題。本文針對(duì)中職學(xué)校綜合布線(xiàn)課程實(shí)訓(xùn)的特點(diǎn)及基本原理進(jìn)行研究，利用計(jì)算機(jī)的相應(yīng)功能，設(shè)計(jì)一套計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)虛擬實(shí)驗(yàn)室的目的是解決中職學(xué)校綜合布線(xiàn)實(shí)驗(yàn)操作問(wèn)題，因此需要了解該課程在中職學(xué)校開(kāi)設(shè)的情況，并進(jìn)行分析，了解需求，這樣才能根據(jù)實(shí)際情況設(shè)計(jì)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)，更好地服務(wù)教學(xué)。

關(guān)鍵詞：計(jì)算機(jī) 網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn) 虛擬實(shí)驗(yàn)室

隨著國(guó)家對(duì)中等職業(yè)教育的不斷重視，中等職業(yè)教育處在迅速發(fā)展階段，學(xué)校的招生規(guī)模不斷擴(kuò)大。招生人數(shù)的增多直接導(dǎo)致學(xué)校的教學(xué)設(shè)備嚴(yán)重不足，往往2～3個(gè)學(xué)生使用一臺(tái)設(shè)備，而教師授課的時(shí)間是受限的，這就使得學(xué)生的練習(xí)時(shí)間大大縮短，影響學(xué)生對(duì)知識(shí)的掌握情況。同時(shí)，一些昂貴的或者易損的設(shè)備數(shù)量又是有限的，比如綜合布線(xiàn)課程中的光線(xiàn)切割機(jī)，一臺(tái)設(shè)備就要數(shù)萬(wàn)元，一般一個(gè)學(xué)校也就一臺(tái)左右。在此類(lèi)實(shí)驗(yàn)中，往往只能教師演示，或者個(gè)別學(xué)生操作，大部分學(xué)生無(wú)法直接參與。這些綜合布線(xiàn)傳統(tǒng)教學(xué)中普遍存在的問(wèn)題會(huì)使教學(xué)效果大打折扣。這不得不讓我們思考，有什么更好的方式可以避免傳統(tǒng)綜合布線(xiàn)教學(xué)中弊端的出現(xiàn)。

作為一名中等職業(yè)學(xué)校的老師，從事綜合布線(xiàn)課程教學(xué)已經(jīng)多年，在教學(xué)過(guò)程中，也深受以上限制困擾。綜合布線(xiàn)技術(shù)作為十分重要的專(zhuān)業(yè)知識(shí)，學(xué)校在智能樓宇自動(dòng)化專(zhuān)業(yè)的能力模塊中，要求學(xué)生了解綜合布線(xiàn)系統(tǒng)的概念及常見(jiàn)材料和器件、布線(xiàn)在國(guó)際和國(guó)內(nèi)的最新標(biāo)準(zhǔn)、綜合布線(xiàn)的設(shè)計(jì)實(shí)施還有完工后的測(cè)試與驗(yàn)收，還要求學(xué)生能夠完成一個(gè)典型綜合布線(xiàn)實(shí)例。因此從這些問(wèn)題出發(fā)，結(jié)合計(jì)算機(jī)技術(shù)，希望以虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)來(lái)妥善地解決綜合布線(xiàn)教學(xué)中出現(xiàn)的問(wèn)題。

一、中職網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)需求

1.虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)不“虛擬”

該網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)課程虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)其實(shí)是虛擬和非虛擬相結(jié)合的模式，有別于其他虛擬實(shí)驗(yàn)室只有虛擬部分，更有利于教學(xué)的需要。該系統(tǒng)是由硬件部分和軟件部分構(gòu)成。

（1）虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)硬件方面。

①需要一臺(tái)能處理大量模擬操作數(shù)據(jù)的高性能電腦，WebGL基礎(chǔ)下的網(wǎng)頁(yè)編輯對(duì)顯卡要求較高。

②需要一個(gè)計(jì)算機(jī)房，大約50臺(tái)電腦，作為虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)操作機(jī)房，機(jī)房?jī)?nèi)需一臺(tái)服務(wù)器，用來(lái)處理數(shù)據(jù)。

③網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)實(shí)訓(xùn)室最好和計(jì)算機(jī)房靠近，這樣學(xué)生模擬操作結(jié)束后就可直接進(jìn)入實(shí)訓(xùn)場(chǎng)地操作。

（2）虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)軟件方面。

①需要虛擬儀器及虛擬場(chǎng)景能用于進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)布線(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)操作。

②需要相應(yīng)的操作系統(tǒng)軟件來(lái)完成實(shí)驗(yàn)操作。該虛擬實(shí)驗(yàn)室由網(wǎng)絡(luò)綜合布線(xiàn)數(shù)據(jù)分析、總結(jié)、存儲(chǔ)這些過(guò)程組成并將這一系列的過(guò)程可視化，可操作。

2.虛擬實(shí)驗(yàn)室的場(chǎng)景設(shè)計(jì)及工具說(shuō)明

三種實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)于綜合布線(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)中。一種是仿真墻虛擬實(shí)驗(yàn)，另一種是現(xiàn)實(shí)生活建筑場(chǎng)景虛擬實(shí)驗(yàn)，第三種是管理間子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。 主要構(gòu)建了兩個(gè)場(chǎng)景，一是兩室一廳居室場(chǎng)景，模擬水平子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)；另一個(gè)是上下兩層的垂直解剖場(chǎng)景，模擬垂直子系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)。

PVC線(xiàn)槽、PVC線(xiàn)管、雙絞線(xiàn)、集線(xiàn)器、配線(xiàn)架、電腦、電話(huà)模塊及面板、管卡等工具，以工具欄的形式出現(xiàn)在綜合布線(xiàn)的虛擬設(shè)備中。學(xué)生只需通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤(pán)直接點(diǎn)擊工具欄中的各工具就可以在虛擬場(chǎng)景中靈活地使用，達(dá)到實(shí)訓(xùn)的目的。

二、本虛擬實(shí)驗(yàn)室平臺(tái)的設(shè)計(jì)

1.虛擬實(shí)驗(yàn)室的優(yōu)勢(shì)

作為一名中職綜合布線(xiàn)課程的老師，從學(xué)生需求和教學(xué)角度分析，設(shè)計(jì)該虛擬實(shí)驗(yàn)室能有以下優(yōu)勢(shì)。

（1）學(xué)生的學(xué)習(xí)興趣得到提高。大部分學(xué)生都喜歡操作計(jì)算機(jī)，學(xué)生通過(guò)靈活地自主操作，充分發(fā)揮他們的靈動(dòng)性，能更多地激發(fā)出學(xué)生對(duì)綜合布線(xiàn)這門(mén)課程的興趣。

（2）實(shí)訓(xùn)操作中存在的問(wèn)題能有效地解決。比如受限的場(chǎng)地、有限的設(shè)備、過(guò)高的費(fèi)用。通過(guò)模擬實(shí)訓(xùn)環(huán)境，學(xué)生猶如置身于實(shí)訓(xùn)環(huán)境中，對(duì)于發(fā)現(xiàn)的問(wèn)題能及時(shí)解決，在實(shí)訓(xùn)時(shí)能避免出現(xiàn)問(wèn)題，更快更高效地完成實(shí)訓(xùn)操作。

（3）學(xué)生的創(chuàng)新能力、問(wèn)題意識(shí)、動(dòng)手能力被有效地激發(fā)。相對(duì)于枯燥的理論學(xué)習(xí)，學(xué)生們更喜歡通過(guò)實(shí)訓(xùn)來(lái)學(xué)習(xí)。根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)，實(shí)訓(xùn)課上，即使平時(shí)學(xué)習(xí)較差的學(xué)生，也能很投入地進(jìn)行操作，更別說(shuō)和計(jì)算機(jī)相結(jié)合來(lái)完成綜合布線(xiàn)的教學(xué)要求。

（4）學(xué)校實(shí)訓(xùn)經(jīng)費(fèi)能有效地節(jié)約。傳統(tǒng)實(shí)訓(xùn)室需要配置較多的設(shè)備，利用率不高不說(shuō)，還存在維護(hù)成本高的問(wèn)題，虛擬實(shí)驗(yàn)室恰恰能有效地避免這些問(wèn)題。它只要利用學(xué)?，F(xiàn)有的計(jì)算機(jī)機(jī)房，讓學(xué)生有“身臨其境”的感覺(jué)。

2.本虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的UI設(shè)計(jì)

UI即User Interface（用戶(hù)界面）的簡(jiǎn)稱(chēng)。通俗地講就是系統(tǒng)的操作界面，一個(gè)好的UI，可以使虛擬實(shí)驗(yàn)室變得有特色、有亮點(diǎn)，還能讓軟件的操作變得方便、靈活。綜合布線(xiàn)虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的控制UI設(shè)計(jì)如下。

該UI包括以下幾個(gè)部分：菜單欄、工具欄和登錄界面。

（1）菜單欄包括：文件、編輯、視圖、水平子系統(tǒng)、垂直子系統(tǒng)、工具、幫助七個(gè)部分。

（2）工具欄包括：PVC線(xiàn)槽、PVC線(xiàn)管、雙絞線(xiàn)、集線(xiàn)器、配線(xiàn)架、電腦、電話(huà)模塊及面板，管卡。

（3）登錄界面包含用戶(hù)名和密碼，主要是對(duì)實(shí)驗(yàn)者身份的一個(gè)認(rèn)證，便于記錄。

虛擬實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的操作UI設(shè)計(jì)：該UI是提供實(shí)驗(yàn)者操作的界面，實(shí)驗(yàn)者在這個(gè)界面完成虛擬實(shí)驗(yàn)、在線(xiàn)學(xué)習(xí)等功能。

3.本虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)

過(guò)去在操作虛擬實(shí)驗(yàn)時(shí)采用的是以下方式。

（1）通過(guò)鼠標(biāo)或者鍵盤(pán)點(diǎn)擊 “進(jìn)入”虛擬實(shí)驗(yàn)室。

（2）在相應(yīng)的操作界面，通過(guò)鼠標(biāo)或鍵盤(pán)點(diǎn)擊、拖動(dòng)、添加虛擬元件等操作方式來(lái)完成實(shí)驗(yàn)提出的相應(yīng)要求。

（3）取得實(shí)驗(yàn)成果，完成歸納總結(jié)。

本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于，在完成以上步驟后，還有不“虛擬”的部分，在前面實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，在綜合布線(xiàn)實(shí)訓(xùn)室進(jìn)行操作驗(yàn)證。虛擬實(shí)驗(yàn)室和實(shí)訓(xùn)室相結(jié)合，和一體化工作室相類(lèi)似。

本虛擬實(shí)驗(yàn)過(guò)程設(shè)計(jì)如下。

學(xué)生進(jìn)入—虛擬實(shí)驗(yàn)室機(jī)房—熟悉實(shí)驗(yàn)內(nèi)容—開(kāi)始實(shí)驗(yàn)—得到實(shí)驗(yàn)結(jié)果—?dú)w納總結(jié)實(shí)驗(yàn)—實(shí)訓(xùn)設(shè)備操作—學(xué)生離開(kāi)。

整個(gè)系統(tǒng)以TCP/IP為網(wǎng)絡(luò)通信協(xié)議，采用C/S體系結(jié)構(gòu)，建立了虛擬的實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)。利用3DMAX搭建虛擬場(chǎng)景，模擬現(xiàn)實(shí)環(huán)境，制作工具欄中的虛擬器件。利用C++語(yǔ)言設(shè)計(jì)前端的實(shí)驗(yàn)操作平臺(tái)，主題框架界面采用SDI單文檔結(jié)構(gòu)視圖。學(xué)生可選擇實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景，并在場(chǎng)景中對(duì)虛擬器件進(jìn)行動(dòng)態(tài)地添加、屬性編輯等動(dòng)作，就可隨時(shí)隨地進(jìn)行綜合布線(xiàn)的相關(guān)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，系統(tǒng)會(huì)根據(jù)學(xué)生的實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果，生成一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告，包括耗材的使用情況；在實(shí)驗(yàn)操作過(guò)程中，學(xué)生操作是否符合流程，行業(yè)規(guī)范，并產(chǎn)生相應(yīng)的提示。它所營(yíng)造的實(shí)驗(yàn)環(huán)境形象逼真，交互功能強(qiáng)大，盡可能使實(shí)驗(yàn)取得真實(shí)的效果。

三、虛擬實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的技術(shù)難點(diǎn)

本虛擬三維實(shí)驗(yàn)室是基于WebGL為基礎(chǔ)，采用JavaScript腳本語(yǔ)言開(kāi)發(fā)的系統(tǒng)，這在國(guó)內(nèi)還是首次嘗試，沒(méi)有“前車(chē)”可以借鑒，碰到的技術(shù)難點(diǎn)包括：如何場(chǎng)景搭建、如何建立三維模型、如何模型設(shè)定、如何材質(zhì)設(shè)定、如何攝像機(jī)控制、如何場(chǎng)景邊界檢測(cè)、如何繪制不連續(xù)線(xiàn)段以及如何搭建UI結(jié)構(gòu)八個(gè)方面。

四、小結(jié)

任何實(shí)踐系統(tǒng)都必須經(jīng)過(guò)大量的實(shí)踐才能不斷改進(jìn)與完善，這樣就導(dǎo)致虛擬實(shí)驗(yàn)的復(fù)雜性逐漸加大。我們要盡可能確保虛擬實(shí)驗(yàn)室在系統(tǒng)簡(jiǎn)單易學(xué)易操作的基礎(chǔ)上，盡量實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性、可靠性、安全性與兼容性之間的有機(jī)平衡，將實(shí)驗(yàn)室系統(tǒng)的作用發(fā)揮到最大化程度。

（作者單位：杭州第一技師學(xué)院）